汪冰，劉俊夫，秦智晗，芮金城，湯文明

（1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所微系統(tǒng)安徽省重點實驗室，合肥 230088）

1 引言

隨著經(jīng)典計算機(jī)的算力漸趨極限，量子計算機(jī)以極高的并行計算能力，被普遍認(rèn)為將引領(lǐng)新一代信息技術(shù)革命。量子計算機(jī)是一種基于量子力學(xué)相干疊加以及糾纏原理的新型計算體系，具有經(jīng)典計算機(jī)無法比擬的強(qiáng)大并行計算處理潛力。得益于當(dāng)今日益成熟的半導(dǎo)體與先進(jìn)封裝技術(shù)，超導(dǎo)量子計算機(jī)成為目前最有希望實現(xiàn)量子計算的方案之一[1]。

IBM 科學(xué)家提出“DiVincenzo 標(biāo)準(zhǔn)”，指出了實現(xiàn)量子計算所需的五大基本要素：1）一組可擴(kuò)展的、可良好表征的量子比特物理系統(tǒng)；2）可以將量子比特系統(tǒng)很好地初始化到一個確定的初態(tài)；3）足夠長的退相干時間——必須遠(yuǎn)大于門操作所需的時間；4）一組作用在量子比特系統(tǒng)上的通用量子門操作；5）能夠很好地測量所有量子比特的狀態(tài)[2-10]。超導(dǎo)量子比特是量子計算機(jī)物理層面的實現(xiàn)方法，本文重點論述了超導(dǎo)量子比特的封裝與互連技術(shù)進(jìn)展。

2 超導(dǎo)量子比特原理

超導(dǎo)量子計算機(jī)主要由超導(dǎo)量子比特、超導(dǎo)邏輯電路、微波控制電路、稀釋制冷機(jī)組成。其中，超導(dǎo)量子比特為核心物理器件，工作環(huán)境為量子極限絕對零度，電路設(shè)計為典型振蕩電路。超導(dǎo)量子比特由約瑟夫森結(jié)和電容組成[2-10]，一個約瑟夫森結(jié)在電路中可以等效為一個電感，電感值與結(jié)上的相位差有關(guān)，是一個非線性電感，約瑟夫森結(jié)的基本結(jié)構(gòu)及其等效電路如圖1 所示。超導(dǎo)量子比特的芯片工藝是在藍(lán)寶石襯底表面采用先進(jìn)微納手段制作鋁金屬化薄膜電路。

圖1 約瑟夫森結(jié)的基本結(jié)構(gòu)及其等效電路[9]

約瑟夫森結(jié)是構(gòu)建超導(dǎo)量子比特的絕佳材料——提供必要的能級分立性和非線性，同時保持超導(dǎo)無損特征。超導(dǎo)量子比特電路擁有類似天然原子的能級系統(tǒng)，被稱為“人工原子”。超導(dǎo)量子比特電路結(jié)構(gòu)[2-10]如圖2 所示。

圖2 超導(dǎo)量子比特電路結(jié)構(gòu)[10]

超導(dǎo)量子比特有3 種，分別是電荷比特、磁通比特和相位比特。主流方向采用的是改進(jìn)型的電荷量子比特，即Transmon 量子比特，其具有抗電荷噪聲強(qiáng)、頻率可調(diào)等優(yōu)點，退相干時間在40 μs 以上，比特門操作保真度達(dá)到99%以上。Xmon 量子比特結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由一個交叉電容構(gòu)成、兩條獨立控制線控制，用于在X-Y-Z 方向旋轉(zhuǎn)量子狀態(tài)。2018 年，Google 宣布完成的72 比特超導(dǎo)量子計算芯片，展現(xiàn)了Xmon 構(gòu)型驚人的可擴(kuò)展性[11-18]。

圖3 Xmon 量子比特結(jié)構(gòu)[13]

3 超導(dǎo)量子比特封裝與互連

超導(dǎo)量子電路是由超導(dǎo)量子比特、量子比特操控線、讀出諧振腔、讀出線、耦合元件等元素組成的具有一定功能的量子器件。之所以稱之為“量子”電路，是因為其中的核心元件，包括量子比特、諧振腔、耦合器等都是量子化的[2-10]。

超導(dǎo)量子比特利用約瑟夫森結(jié)在超低溫環(huán)境下的非線性電路特性，構(gòu)建不同能級間距的能級態(tài)，并選擇其基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)構(gòu)成二能級系統(tǒng)，采用共面波導(dǎo)諧振腔和定向耦合器控制。超導(dǎo)量子電路多粒子糾纏態(tài)的實現(xiàn)和維持是一件很難的事情，周圍環(huán)境的熱噪聲、電磁干擾都會影響量子糾纏態(tài)的相干時間和保真度[2-10]。

超導(dǎo)量子比特封裝與互連原理如圖4 所示，其中樣品盒即超導(dǎo)量子比特封裝。超導(dǎo)量子比特封裝安裝在稀釋制冷機(jī)內(nèi)部的中心冷盤，工作在超低溫環(huán)境（約10 mK），以降低環(huán)境噪聲對比特的影響。超導(dǎo)量子比特與稀釋制冷機(jī)通過超導(dǎo)量子比特封裝、同軸連接器以及超導(dǎo)線互聯(lián)，以實現(xiàn)對超導(dǎo)量子比特的控制及讀取。中電科43 所研制的超導(dǎo)量子比特封裝與互連樣機(jī)如圖5 所示。

圖4 超導(dǎo)量子比特封裝與互連原理

圖5 超導(dǎo)量子比特封裝與互連樣機(jī)

超導(dǎo)量子比特封裝采用諧振腔電路模型、無磁射頻同軸組件、超導(dǎo)多層基板以及3D 互連技術(shù)來實現(xiàn)，采用微波傳輸線構(gòu)建諧振腔可以很好地降低電荷噪聲對量子態(tài)的影響。中電科43 所針對超導(dǎo)量子比特易受環(huán)境噪聲影響、退相干時間短等問題，開展超導(dǎo)量子比特封裝電磁環(huán)境控制機(jī)理及低溫下封裝材料參數(shù)特性的研究，突破低溫環(huán)境下高密度封裝射頻傳輸線及端口間串?dāng)_抑制、封裝盒電磁噪聲屏蔽等難點，滿足延長超導(dǎo)量子比特退相干時間、提高量子門操控精度等目的。中電科43 所研制的20 比特芯片封裝上機(jī)測試結(jié)果如圖6 所示，其中圖6（a）中的能量弛豫時間為16.7 μs，圖6（b）中的退相干時間為15.4 μs，滿足超導(dǎo)量子比特封裝與互連需求。

圖6 20 比特芯片封裝上機(jī)測試結(jié)果

圖7 是中電科43 所研制的50 比特超導(dǎo)量子芯片封裝爆炸圖，其具有如下特征：（1）采用多層布線微波基板作為芯片載板，芯片與基板互連采用鋁絲楔形鍵合或銦凸點倒裝；（2）多層布線微波基板與高頻同軸連接器通過焊接或彈性壓接互連；（3）高頻同軸連接器與高頻超導(dǎo)線互連；（4）高頻超導(dǎo)線與稀釋制冷機(jī)互連。Google 的53 比特超導(dǎo)量子計算處理器如圖8 所示，其中芯片與封裝互連采用銦凸點倒裝。2021 年5 月8日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布的“祖沖之二號”超導(dǎo)量子處理器可操控66 位超導(dǎo)量子比特（如圖9 所示），它采用三維集成工藝手段實現(xiàn)[35]。超導(dǎo)量子比特與量子計算機(jī)互連[19-21]如圖10 所示。

圖7 50 比特超導(dǎo)量子芯片封裝爆炸圖

圖8 Google 的53 比特超導(dǎo)量子計算處理器

圖9“祖沖之二號”66 比特超導(dǎo)量子處理器[35]

圖10 超導(dǎo)量子比特與量子計算機(jī)互連

超導(dǎo)量子比特通過超導(dǎo)量子比特測控線路與量子計算機(jī)互連。超導(dǎo)量子比特測控線路主要由微波密封集成模塊、傳輸線集成模塊、微波熱沉集成模塊等組成，實現(xiàn)高真空氣密封接、高密度互連傳輸、低射頻傳輸損耗、高性能熱沉等多功能模塊集成。其中，微波密封集成模塊主要實現(xiàn)稀釋制冷機(jī)外部裝備（常溫環(huán)境）與稀釋制冷機(jī)內(nèi)部裝備（極低溫環(huán)境）之間的微波信號傳輸互連和稀釋制冷機(jī)內(nèi)部超低溫、高真空保持功能。傳輸線集成模塊主要實現(xiàn)制冷機(jī)內(nèi)部冷盤之間的微波信號傳輸互連功能。微波熱沉集成模塊主要是為了隔離高溫區(qū)熱噪聲，通過每一級熱沉集成模塊的隔離衰減，滿足超導(dǎo)量子比特工作在超低溫環(huán)境下的苛刻操作環(huán)境。

4 Osprey 超導(dǎo)量子比特三維集成封裝

三維集成封裝技術(shù)包括倒裝、微凸點、晶圓級封裝、介質(zhì)層、再布線層（RDL）、硅通孔（TSV）等，可極大提升電子系統(tǒng)的性能[22-33]。MIT Lincoln 實驗室于2018年發(fā)布的基于銦凸點倒裝的量子比特三維集成方案如圖11 所示，其采用銦凸點倒裝、鋁過孔TSV、超導(dǎo)剛?cè)峤Y(jié)合板等系統(tǒng)級封裝技術(shù)，實現(xiàn)3 個芯片集成封裝，且相互獨立互不干涉，對于量子比特的制備有很大的優(yōu)勢，可有效減少退相干現(xiàn)象[26]。

圖11 基于銦凸點倒裝的量子比特三維集成方案[26]

2022 年11 月，IBM Quantum 發(fā)布的433 超導(dǎo)量子比特Osprey 是迄今為止公開發(fā)布的最高位數(shù)超導(dǎo)量子計算機(jī)，其超導(dǎo)量子比特采用三維集成封裝與高密度互連技術(shù)。Osprey 超導(dǎo)量子比特封裝與互連如圖12 所示。超導(dǎo)量子比特封裝是超導(dǎo)量子比特與量子計算機(jī)互連的紐帶，如何在有限空間范圍內(nèi)實現(xiàn)433 超導(dǎo)量子比特的高質(zhì)量操控，重點在于研究三維集成封裝與互連、超導(dǎo)多層布線工藝、高密度微波傳輸線S 參數(shù)設(shè)計仿真優(yōu)化、系統(tǒng)級封裝熱管理等。Osprey 超導(dǎo)量子比特的核心技術(shù)是采用三維集成封裝[27]，圖13 為超導(dǎo)量子比特封裝迭代示意圖。

圖12 Osprey 超導(dǎo)量子比特封裝與互連

IBM 第一代超導(dǎo)量子比特的封裝由超導(dǎo)量子比特芯片和一塊印刷電路板組成，這種方案適用于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即超導(dǎo)量子比特排列成環(huán)形。IBM 第二代封裝方案采用兩個獨立的芯片，通過倒裝焊互連，一個超導(dǎo)量子比特芯片位于中介層芯片之上，這個方案能夠?qū)⑽⒉ㄐ盘杺鬏數(shù)搅孔颖忍匦酒闹行摹Ｈ欢?，它要求所有的超?dǎo)量子比特控制線和讀出線都布線到芯片的外圍，并且金屬層之間沒有相互隔離，否則脆弱的超導(dǎo)量子比特易受到信號串?dāng)_而導(dǎo)致退相干。

Eagle、Osprey 是IBM 第三代封裝方案。與第二代超導(dǎo)量子比特封裝方案相同，它通過一個量子比特芯片凸點鍵合到一個中介層芯片，即2.5D 轉(zhuǎn)接板。不同的是，轉(zhuǎn)接板內(nèi)部添加了薄膜多層布線傳輸控制和讀出信號，該層與量子器件本身能很好地隔離，并將信號傳送到超導(dǎo)量子比特芯片。轉(zhuǎn)接板薄膜多層再布線由三層金屬層、各層之間的圖案化平面化電介質(zhì)以及連接金屬層的過孔組成，是與量子設(shè)備完全隔離的傳輸線。同時，在超導(dǎo)量子比特芯片和2.5D 轉(zhuǎn)接板上增加了襯底通孔，在超導(dǎo)量子比特和其他敏感的微波結(jié)構(gòu)之間建立孔柵——密集的通孔墻。如果它們之間的距離遠(yuǎn)小于一個波長，這些通孔就像法拉第籠一樣，可以防止電路元件之間的容性串?dāng)_。在中介層芯片中，這些通孔扮演著相同的角色，同時將微波信號從2.5D 轉(zhuǎn)接板上傳輸?shù)叫酒?。因此，Osprey 互連傳輸線規(guī)模提高了一倍，且串?dāng)_減少，超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)質(zhì)量大幅提升。

IBM 的目標(biāo)是到2025 年實現(xiàn)具有4000+超導(dǎo)量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)系統(tǒng)，釋放超級計算能力并解決日益復(fù)雜的計算問題[28-30]，圖14 是IBM 給出的量子計算發(fā)展路線圖。

圖14 量子計算發(fā)展路線圖[28]

5 結(jié)束語

超導(dǎo)量子計算研究領(lǐng)域中，國外的IBM、Google、Intel 等商業(yè)巨頭處于領(lǐng)跑狀態(tài)，硬件技術(shù)比較成熟，已經(jīng)對個別量子算法進(jìn)行了小規(guī)模運算量的驗證。

國內(nèi)從事超導(dǎo)量子計算機(jī)的研發(fā)單位包括中國科學(xué)院物理研究所、南京大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南方科技大學(xué)等，與國際頂尖量子科研機(jī)構(gòu)相比，仍存在差距。

面向我國超導(dǎo)量子計算機(jī)自主可控發(fā)展需求，針對mK 級低溫環(huán)境下工作可靠的高密度、低串?dāng)_、低環(huán)境噪聲超導(dǎo)量子比特封裝與互連的研究仍將繼續(xù)，本課題組依靠中電科43 所凸點倒裝焊、硅通孔、系統(tǒng)集成等先進(jìn)封裝工藝平臺優(yōu)勢，將持續(xù)研究超導(dǎo)量子比特三維集成封裝解決方案以及與外部稀釋制冷機(jī)測控線路的高密度互連方案，為“以量子為中心的超級計算機(jī)時代”的早日來臨提供工藝技術(shù)支撐。